模電第09章信號處理與信號產(chǎn)生電路

第九章信號處理與信號產(chǎn)生電路重點(diǎn)：

1.了解有源濾波器的類型與濾波原理；

2.理解正弦波振蕩電路自激振蕩的條件;3.理解LC振蕩電路和RC振蕩電路的工作原理。

4.理解電壓比較器的工作原理和應(yīng)用。（1-2）§9.1濾波電路的基本概念與分類二、濾波電路的分類1.按信號性質(zhì)分類：模擬濾波器和數(shù)字濾波器2.按所用元件分類：無源濾波器和有源濾波器3.按階數(shù)分類：一階，二階…高階4.按電路功能分類：低通濾波器;高通濾波器;帶通濾波器;帶阻濾波器濾波器+ui-+uo-一、什么是濾波——使所需要的頻率信號能順利通過濾波電路達(dá)到輸出端口，抑制(過濾)不需要的頻率信號，這種選擇頻率的功能稱為濾波。輸入信號頻率是變的經(jīng)濾波后輸出信號（1-3）低通高通帶通帶阻四種典型濾波器的頻率特性Uo—UiUo—UiUo—UiUo—Ui三、濾波電路作用的描述——用電壓增益~頻率的關(guān)系來描述,稱為傳遞函數(shù)。（1-4）§9.2一階有源濾波電路一、一階有源低通濾波器1、電路RR1RfC+-+vivo2.頻率響應(yīng)(傳遞函數(shù))令:o=1/RC幅頻特性:無源低通濾波器幅頻響應(yīng)波特圖:10

/o0-20A20lg|—|Ao1

-3o

:上限截止頻率-20dB/十倍頻程輸出頻率范圍:=0~o（1-5）二、一階有源高通濾波器1、電路2.頻率響應(yīng)(傳遞函數(shù))令:o=1/RC幅頻特性:無源高通濾波器幅頻響應(yīng)波特圖:1

-3-++RR1RfCvivoo

:下限截止頻率輸出頻率范圍:=o

~三、一階有源濾波器優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):電路簡單;缺點(diǎn):衰減太慢。20dB/十倍頻程/o0-20A20lg|—|Ao0.1（1-6）§9.3高階有源濾波電路(≥2階)一、二階有源低通濾波器1、電路聯(lián)立求解得:二階（1-7）2.頻率響應(yīng)(傳遞函數(shù))將s=j代入上述方程得:其中：Ao——通帶增益——特征角頻率——等效品質(zhì)因數(shù)幅頻特性:越大A越小。波特圖如右圖。階數(shù)越高,衰減越快,曲線越陡。-40dB/十倍頻程（1-8）

將低通電路中的電容和電阻對換，便成為高通電路。2.頻率響應(yīng)(傳遞函數(shù))二、二階有源高通濾波器1、電路Ao,C,Q——與低通相同。幅頻特性:可見：越大A越大。波特圖斜率40dB/十倍頻程。（1-9）當(dāng)滿足L<H時,輸出頻率范圍:=L~H2.實際電路——p426圖3.1.11以及p429圖3.1.13。低通截止角頻率:高通截止角頻率:三、有源帶通濾波電路1.電路組成原理——可由低通和高通串聯(lián)組成低通高通vivo|A|H低通|A|L高通|A|LH通帶（1-10）例1計算下圖電路的輸出頻率范圍。低通截止頻率:高通截止頻率:輸出頻率范圍:=(88~1.1×104)Hz（1-11）高通低通3.二階有源帶通濾波電路

若設(shè)：則：波特圖傳遞函數(shù)通頻帶:BW=o/(2Q)（1-12）當(dāng)滿足L>H時,輸出頻率阻隔范圍:=L~H低通截止角頻率:高通截止角頻率:三、有源帶阻濾波電路1.電路組成原理——可由低通和高通并聯(lián)組成|A|H低通|A|L高通低通高通vivo|A|HL阻帶（1-13）2.二階有源帶阻濾波電路(雙T帶阻濾波電路)傳遞函數(shù)雙T選頻網(wǎng)絡(luò)若設(shè)：則：Ao=AVF可見：=0A=A0=A=A0=0A=0——帶阻（1-14）§9.5正弦波振蕩器的振蕩條件振蕩器:能自激振蕩產(chǎn)生周期性輸出波形的電路。正弦波振蕩器:能自激振蕩產(chǎn)生正弦輸出電壓的電路。一.維持自激振蕩的條件1.自激振蕩?基本放大電路A.Xi...Xo=A·Xi正反饋..Xf=Xi反饋電路F21如果將開關(guān)從1打至2

基本放大電路A.Xi...Xo=A·Xi正反饋..Xf=Xi反饋電路F21.則去掉Xi.Xo不變反饋信號代替輸入信號并維持輸出不變——稱自激振蕩（1-15）2.維持自激振蕩的條件?基本放大電路A.Xi...Xo=A·Xi正反饋..Xf=Xi反饋電路F21..——Xf=Xi即:Xff

=Xii(1)Xf=Xi——幅值平衡條件(2)f

=i——相位平衡條件(正反饋)由反饋環(huán):維持振蕩條件的另一種形式：上式可寫為:AA

FF=1(1)A·F

=1——幅值平衡條件(2)A

+F=2n(n是整數(shù))——相位平衡條件(正反饋)相位條件:通過正反饋實現(xiàn)；振幅條件:通過調(diào)整A或F達(dá)到。（1-16）二、振蕩的建立與穩(wěn)定實際中的振蕩器根本無事先輸入xi

，那么振蕩是如何建立起來的？1.起振條件?

放大電路中存在噪聲以及電源接通等瞬態(tài)擾動,這些微弱的信號使xd≠0,當(dāng)電路滿足:(1)A

+F=2n——采用正反饋(2)A·F

>1基本放大電路A.Xo正反饋.Xf反饋電路F.Xd.Xd.Xo.Xf.Xd

.Xo……起振

當(dāng)輸出信號幅值增加到一定程度時，就要限制它繼續(xù)增加，否則波形將出現(xiàn)失真——稱為穩(wěn)幅。AF=1能否起振?（1-17）2.穩(wěn)幅穩(wěn)幅的作用就是，當(dāng)輸出信號幅值增加到一定程度時，使振幅平衡條件從A·F

>1

回到A·F

=1。穩(wěn)幅措施:(1)被動：器件非線性。(2)主動：在反饋網(wǎng)絡(luò)中加入非線性穩(wěn)幅環(huán)節(jié)，用以調(diào)節(jié)放大電路的增益。三、振蕩頻率的選擇上述自激振蕩電路的輸出波形是無規(guī)則的。為了得到正弦波輸出,應(yīng)該加一個篩選頻率的電路——選頻網(wǎng)絡(luò)。基本放大電路A.Xo正反饋.Xf反饋電路F.Xd選頻網(wǎng)絡(luò)（1-18）小結(jié)1.起振條件(1)A

+F=2n——采用正反饋(2)A·F

>12.維持振蕩的條件(1)A·F

=1——幅值平衡條件(2)A

+F=2n(n是整數(shù))——相位平衡條件(正反饋)3.正弦波振蕩器的組成(1)放大電路(包括負(fù)反饋放大電路)(2)反饋網(wǎng)絡(luò)(構(gòu)成正反饋的)(3)選頻網(wǎng)絡(luò)(選擇滿足相位平衡條件的一個頻率。經(jīng)常與反饋網(wǎng)絡(luò)合二為一,常用的有RC選頻和LC選頻)(4)穩(wěn)幅環(huán)節(jié)(使電路易于起振又能穩(wěn)定振蕩,波形失真小)（1-19）§9.6RC正弦波振蕩電路一.電路組成voRfRCRCR1A-+RC

選頻兼正反饋網(wǎng)絡(luò)放大網(wǎng)絡(luò)二.RC選頻正反饋網(wǎng)絡(luò)——把fo分量選出，把其他頻率的分量衰減掉。1.電路+vf

-+vo-RCRC+vf-（1-20）2.選頻特性當(dāng)RC=1/RC時,vf~vo同相且Vf最大。此時:結(jié)論:若vo由多種頻率信號組成的話,必有一個頻率=0的信號,該頻率0信號的vf~vo同相且Vf最大。+vo-RCRC+vf-（1-21）三.RC振蕩器工作原理1.起振和維持振蕩的相位條件用瞬時極性法判斷:voRfRCRCR1A-++vf

-必有一個頻率=0的信號,使電路產(chǎn)生正反饋,滿足相位平衡條件。2.維持振蕩的幅值條件必有一個信號的頻率=0使:根據(jù)Av·F

=1,取:3.輸出電壓頻率電路輸出頻率為fo

的正弦波:——滿足幅值平衡條件（1-22）熱敏電阻5.RC正弦波振蕩電路原理簡述頻率為

fo

的信號再經(jīng)過正反饋、放大……的循環(huán)最終穩(wěn)定在某一值,輸出f

=fo正弦波。而頻率≠fo

的信號經(jīng)過負(fù)反饋、縮小……的循環(huán)最終被削弱為0。該電路一般用于產(chǎn)生頻率低于1MHz的正弦波。voRfRCRCR1A-+起振時:符合Av·F

>1的條件,可以起振起振后Rf溫度Rf阻值當(dāng)Av·F

=1時穩(wěn)幅4.起振條件和穩(wěn)幅措施

——采用非線性元件,如采用熱敏電阻。（1-23）R=1k，C=0.1F，R1=10k。Rf為多大時才能起振？振蕩頻率f0=？AF=1，31=F11f+=RRAA=3Rf=2R1=210=20k=1592Hz起振條件：例1（1-24）四.RC移相式振蕩電路1.RC超前移相電路的移相原理(1)單級電路+.Vi-+.Vo-RC結(jié)論:當(dāng)vi的頻率=0~時,

vo超前vi的角度=90o~0o(2)多級電路三級電路中:vi頻率=0~vo超前移相=270o~0o必有一個頻率=0的信號,使vo超前移相=180o（1-25）+.Vi-+.Vo-RC2.RC滯后移相電路的移相原理(1)單級電路結(jié)論:當(dāng)vi的頻率=0~時,

vo滯后vi的角度=0o~90o(2)多級電路三級電路中:vi頻率=0~vo滯后移相=0o~270o必有一個頻率=0的信號,使vo滯后移相=180o（1-26）3.RC移相式振蕩電路(1)原理頻率為

fo

的噪聲信號經(jīng)過A放大后反相180o,再經(jīng)過三級移相電路移相180o實現(xiàn)正反饋……的循環(huán),

最終穩(wěn)定在某一值,輸出f

=fo正弦波。而頻率≠fo

的信號經(jīng)過負(fù)反饋、縮小……的循環(huán)最終被削弱為0。(2)輸出電壓頻率（1-27）§9.7LC正弦波振蕩器一.LC選頻網(wǎng)絡(luò)1.電路當(dāng)即:(1)vo~ic同相;(2)Vo/Ic=|Z|最大;(3)Ic恒定時Vo最大。CLR.Ic+.Vo-（1-28）MLCCgRgRVDDT2.相位平衡條件用瞬時極性法判斷:3.幅值平衡條件通過選擇場效應(yīng)管增益和調(diào)整變壓器的匝數(shù)比,可以滿足A·F

>1,從而使電路起振。二、變壓器反饋式LC振蕩電路(定性分析)1.電路4.穩(wěn)幅

T進(jìn)入非線性區(qū),從而幅值不再增加,達(dá)到穩(wěn)幅目的。5.輸出頻率vo=頻率為fo的正弦波:+--必有一個頻率=0的信號,使電路產(chǎn)生正反饋,滿足相位平衡條件。（1-29）(2)電容三點(diǎn)式三.三點(diǎn)式LC振蕩電路1.LC選頻正反饋網(wǎng)絡(luò)輸入輸出極性關(guān)系(1)電感三點(diǎn)式uf與uo反相uf與uo同相uf與uo反相uf與uo同相（1-30）2.電感三點(diǎn)式LC振蕩電路(1)電路(2)起振判斷相位條件判斷：–++––++——M為L1、L2之間的互感——正反饋幅值條件判斷——同前一電路(3)工作原理:——同前一電路(4)指標(biāo)計算-（1-31）例1滿足相位平衡條件試判斷下圖三點(diǎn)式振蕩器是否滿足相位平衡條件?（1-32）3.電容三點(diǎn)式LC振蕩電路(1)電路(2)起振判斷相位條件判斷：——正反饋幅值條件判斷——同前一電路(3)工作原理:——同前一電路(4)指標(biāo)計算–++––++-（1-33）試判斷下圖三點(diǎn)式振蕩器是否滿足相位平衡條件?滿足相位平衡條件例2（1-34）試判斷下圖三點(diǎn)式振蕩器是否滿足相位平衡條件?例3滿足相位平衡條件（1-35）四.石英晶體振蕩電路1.石英晶體(1)結(jié)構(gòu)(2)基本特性極板間加電壓極板間加機(jī)械力晶體機(jī)械變形晶體產(chǎn)生電壓若加交變電壓機(jī)械振動交變電壓當(dāng)交變電壓頻率=晶體固有頻率時符號——稱壓電效應(yīng)Sio2振幅最大

——稱壓電諧振。諧振時的頻率fs稱為固有頻率。晶體機(jī)械振動的固有頻率fs與晶片尺寸有關(guān),穩(wěn)定性高。（1-36）當(dāng)信號頻率略大于fs時:

并聯(lián)型石英晶體相當(dāng)一個大電感,與C1、C2組成電容三點(diǎn)式振蕩器。工作原理與電容三點(diǎn)式振蕩器相同。2.石英晶體振蕩電路(1)并聯(lián)型石英晶體振蕩器（1-37）(2)串聯(lián)型石英晶體振蕩器當(dāng)信號頻率=fs時:

串聯(lián)型石英晶體相當(dāng)一個R≈0純電阻,諧振時正反饋?zhàn)顝?qiáng),相移為零,滿足振蕩的相位平衡條件。對于固有頻率fs以外的頻率，石英晶體相當(dāng)于RLC混接元件,阻抗增大,且相移不為零,不滿足振蕩條件,電路不振蕩。（1-38）分析下圖的振蕩電路能否產(chǎn)生振蕩，若產(chǎn)生振蕩,石英晶體處于何種狀態(tài)？例3++–+滿足相位平衡條件。并聯(lián)型石英晶體相當(dāng)一個大電感。（1-39）§9.8電壓比較器——使用運(yùn)算放大器的開環(huán)狀態(tài)或正反饋狀態(tài)一、運(yùn)放工作在非線性狀態(tài)基本分析方法1.運(yùn)放工作在非線性狀態(tài)的判定——電路開環(huán)或引入正反饋。2.運(yùn)放工作在非線性狀態(tài)的分析方法u-u+uo－+∞+i-i+(1)虛斷

i+＝i-≈0(2)當(dāng)u+＞u-時,uo

=+uom

當(dāng)u+＜u-

時,uo

=-

uom“+uom”“-uom”——正負(fù)飽和值,略低于正負(fù)電源值。注意：無虛短！即:u+≠u-（1-40）二、單門限電壓比較器1、電路組成uoui0+Uom-UomUR2、傳輸特性URuouiR2-++R1+–++––參考電壓可見，在ui

=UR處輸出電壓uo發(fā)生躍變。閾值電壓(門限電平)——輸出躍變所對應(yīng)的輸入電壓。飽和電壓（1-41）URuouiR2-++R1+–++––3、波形uitOOuot+Uom–Uom若ui與uR對調(diào)，上述曲線如何變化？uoui0+Uom-UomURUR（1-42）三、過零比較器1、電路組成tuituo+Uom-UomuouiR2-++R1+–+–參考電壓為0uoui0+Uom-Uom2、傳輸特性3、波形若ui接到“-”,上述曲線如何變化?（1-43）四、輸出帶限幅的電壓比較器1、電路組成uo'RDZURuouiR2++–R1+–++––UZ–UZuiuoOUR2、傳輸特性設(shè)穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓為UZ，忽略穩(wěn)壓管的正向?qū)▔航祫tui<

UR，uo

=UZ

ui>UR，uo=–UZ（1-44）3、穩(wěn)幅電路的另一種形式將雙向穩(wěn)壓管接在負(fù)反饋回路中:uoui0+UZ-UZ當(dāng)ui>0時,uo=-UZ當(dāng)ui<0時,uo=+UZ

（1-45）解：例圖示為另一種形式的單門限電壓比較器，試求出其門限電壓(閾值電壓)VT，畫出其電壓傳輸特性。設(shè)運(yùn)放輸出的高、低電平分別為VOH和VOL。

利用疊加原理可得理想情況下，輸出電壓發(fā)生跳變時對應(yīng)的vP＝vN＝0，即門限電壓（1-46）五.遲滯比較器(滯回比較器)特點(diǎn)：使用正反饋,有兩個門限電壓。1、下行遲滯比較器(1)電路當(dāng)uo=+UZ,需-Uom時:當(dāng)uo=-UZ,需+Uom時:(2)工作原理因為有正反饋,所以運(yùn)放輸出處在飽和狀態(tài)。當(dāng)u-=ui>u+時,uo=-UZ當(dāng)u-=ui<u+時,uo=+UZ只要ui>UT+,

uo=+UZ-UZUT+——上門限電壓只要ui<UT-,uo=-UZ+UZUT-——下門限電壓UT+-UT-——回差電壓（1-47）uoui0+UZUT+UT--UZ(3)下行遲滯比較器的電壓傳輸特性要點(diǎn):分兩個方向畫ui=-+u-=ui很小時,uo=UZ,u+=UT+

,

當(dāng)ui增加到UT+時,輸出由UZ跳變到-UZ；ui=+-u-=ui很大時,uo=-UZ,u+=UT-

,當(dāng)ui

減小到UT-時,輸出由-UZ跳變到UZ

。（1-48）例題：Rf=10k，R2=10k

，UZ=6V，UREF=10V。當(dāng)輸入ui為如圖所示的波形時，畫出輸出uo的波形。上下限：uoui08V3V傳輸特性+6V-6V（1-49）3V8Vuiuo+6V-6Vuoui08V3V傳輸特性+6V-6V（1-50）解：（1）門限電壓（3）輸出電壓波形例電路如圖所示，試求門限電壓，畫出傳輸特性和圖c所示輸入信號下的輸出電壓波形。（2）傳輸特性（1-51）2、上行遲滯比較器(1)電路-++uoRR2R1uiUR(2)工作原理因為有正反饋,所以運(yùn)放輸出處在飽和狀態(tài)。當(dāng)u+>u-=UR時,uo=+Uom當(dāng)u+<u-=UR時,uo=-Uom當(dāng)uo=+Uom,需-Uom時:當(dāng)uo=-Uom,需+Uom時:>UR只要u